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1、XK5025 型数控立铣床自动换刀装置设计摘要从换刀系统发展的历史来看，1956 年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同时也研制成功了“APT”（刀具程序控制中心）。1958 年美国 K&T公司研制出带ATC（自动刀具交换装置）的加工中心。1967 年出现了 FMS（柔性制造系统）。1978 年以后，加工中心迅速发展，带有 ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。本论文介绍的是 XKA5025型数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计.该自动换刀装置由刀库和换刀机械手组成.刀库采用盘形结构,安装在机床的左侧立柱上.刀库容量为六把,采用顺序选刀方式.机械手选用回
2、转式双臂机械手. 根据给定的课题设计要求，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成主要部件的装配及关键机构的运动仿真，并绘制了必要的零部件图，完成了关键零部件的三维建模。其中包括自动换刀装置的总体设计、原理方案的实现、主要部件的分析、传动零件的设计计算，并给出了关键部件的装配图和必要的零件图。关键词: 数控铣床 自动换刀装置 刀库 换刀机械手目 录1 绪 论 .11.1 数控机床自动换刀装置概述 .11.2 数控铣床的主要功能及加工对象 .31.3 自动换刀装置（ATC）的形式及设计要求 .51.4 本设计要完成的工作及要求 .62 总体方案的设计 .72.1 引 言 .
3、72.2 XK5025 数控立式升降台铣床及其主要参数 .72.3 自动换刀装置总的设计方案 .82.4 自动换刀装置的基本形式 .92.5 自动换刀装置整体方案构思 .93 刀库的设计 .113.1 确定刀库容量 .113.2 刀库形式的选择 .123.3 刀库结构设计 .143.4 初估刀库驱动转矩及选定电机 .153.5 刀库转位机构的设计 .163.6 刀具选择方式的确定 .164 刀具交换装置的设计 .174.1 换刀机械手结构形式概述 .174.2 本课题机械手结构形式及工作原理 .184.3 自动换刀过程的动作顺序 .194.4 自动换刀装置的相关技术要求 .205 结论与展望
4、.215.1 总结 .215.2 展望 .21参考文献 .221 绪 论1.1 数控机床自动换刀装置概述1.1.1 引 言自动换刀装置(Automatic Tool Changer) 简称 ATC ,作为加工中心的重要组成部分,其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间,以提高生产率、降低生产成本,进而提升机床乃至整个生产线的生产力。所以 ATC 在加工中心中扮演着极重要的角色。自动换刀装置（ATC）是加工中心的重要组成单元，其设计质量的好坏，直接影响加工中心的质量。ATC 由刀库和机械手组成，它的机构和运动复杂、性能要求高。刀库的功能是储存刀具，并且按程序指令，把即将要用的刀具迅速、准确地送到
5、换刀位置，因此刀库的位置、体积大小能否适合加工中心的整体设计，刀库的运动机构能否使刀库平稳运转并准确地停在换刀位置，运动过程有无干涉、卡死等现象，都是设计人员非常关心的问题。机械手的功能是把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具送回刀库。它的动作要求迅速而准确，所以对机构的结构、定位、运动、夹持力的大小等都有很高的要求，一旦有运动故障或定位、运动误差过大，都会造成换刀动作失败，掉刀。应用虚拟制造技术进行 ATC的虚拟样机设计和虚拟样机仿真分析实验，可以在计算机的虚拟世界中发现和解决 ATC设计过程中可能出现的问题。本文介绍了 XK5025型数控立铣床自动换刀装置 ATC设计的过程。虚拟
6、制造技术是基于计算机建模和仿真的设计、制造技术，它强调在实际投入原材料实现产品之前，将产品的设计、分析、测试、制造等过程在计算机构造的虚拟开发环境中进行数字化模拟。以设计为主的虚拟制造，是在产品开发设计中虚拟设计出产品，并完成产品在设计研制阶段要解决的问题，即完成产品的概念设计、实体造型，并在虚拟出的产品上进行功能和产品工作性能的仿真，其结果用于修改设计。虚拟制造的优越性在于可在开发设计阶段解决产品的各个问题；不需要制造出实体机器，节约大量投资；在计算机上解决问题，制造过程变成信息的流动和处理，是网络制造的基础；可以在网络上试销售等。1.1.2 ATC 的概念设计概念设计是指在方案设计的初始阶
7、段，根据市场需求及可利用资源，对产品作宏观上的轮廓设计，这一过程包括明确功能和对原理、技术、材料、工艺等进行设想和创新，以及对方案进行技术上和经济上可行性的测试。当有成熟软件时，概念设计的周期和耗费会极大减少。本设计为 XK5025型数控立铣床的自动换刀装置，基于用户要求、统计调查和设计经验，进行 ATC的概念设计。确定 ATC的设计参数为固定式刀库，容量为 6把，换刀时间（刀对刀）小于 2秒。刀库形式为盘式刀库，用伺服电机驱动蜗杆与蜗轮，采用滑动导轨定向的方式。换刀机械手采用复合凸轮联动机构，定位准确，速度快。1.1.3 ATC 虚拟样机模型的建立概念设计完成之后，以 UG2.0为设计平台进
8、行造型设计。先对零件进行二维草图设计，然后进行尺寸约束，通过拉伸、旋转等方式完成对单个零件的建模过程。在零件建模的过程中，只对大型零件或主要零件（如链轮、链节、轴等）进行造型，对螺钉等非主要零件在装配时再通过外加力的大小等条件自动生成所需零件。零件造型后进行装配设计，直到完成自动换刀装置的整体模型，整个过程是参数化的。同二维图纸设计一样，构造模型的过程也是机床的设计过程，设计思想在模型上体现出来。在进行链式刀库的三维设计时，遇到了几个问题：（1） 刀库安装位置的设计选择刀库安装位置时，应注意换刀位置结构简单；换刀时间短；便于换刀装置的检查和维修；满足机床总体布局要求。采用固定式刀库，在机床底座
9、上设置独立支架承载方式，即在工作台左侧保持一定距离安装承载支架，将 ATC固定在支架上。主轴必须移到换刀位置换刀，换刀位置定位控制系统要求比较高。由于要求设计全封闭式加工中心，整体体积不宜过大，能否在有限的空间安装好刀库，使之与加工中心其它模块不相干涉，使主轴能顺利地移动到换刀位置，这些问题在三维设计中得到了解决。通过观察刀库和机械手与加工中心其它模块的装配模型，检查干涉，并直接在三维模型上进行修改，使设计结果结构紧凑，空间安排合理。（2）作回转运动的刀库的支承和导向、刀套换刀位置的调整装置设计、刀具的锁紧机构设计等，可视化的样机模型都使我们迅速确定了最优方案，提高了设计效率。使用 UG建模时
10、，要注意：（1）零件造型的过程应与零件的制造工艺过程一致，也就是说零件怎样加工出来就怎样建模；（2）零件的装配约束尽量简化且符合实际情况，否则转换到 Working Model中会显示为不正确的铰链约束。应用三维设计软件进行 ATC虚拟样机设计的优点在于：（1）将设计思想直观地表达出来，便于发现问题并可在模型上直接修改；（2）装配造型时，可随时进行干涉检查，根据显示的干涉量编辑修改完零件后，部件自动更新并且依然保持装配的相关性。 （3）在软件中可以得到一个零件或整个 ATC的质量，因为 ATC作为加工中心的一个模块，它的质量对于加工中心整体设计是有影响的。这些功能极大地方便了设计，使设计更加完
11、善，效率更高。结构设计完成之后，ATC的虚拟样机模型为进一步进行计算机辅助分析提供了实体模型。1.1.4 国内外自动换刀装置设计的发展情况自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。 从换刀系统发展的历史来看，1956 年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国 IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。1958 年美国 K&T公司研制出带 ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967 年出现了 FMS(柔性制造系统)。1978 年以后，加工中心迅速发展，带有 ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983 年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件
